三嗪衍生物与贵金属纳米粒子相互作用的双重荧光增强/超猝灭效应：光学与计算研究揭示其在生物传感中的应用潜力

本研究针对1,2,4-三嗪衍生物的光学行为开展深入探索，合成了新型稠合噻吩并三嗪染料（Triazine I），系统研究其与银/金纳米粒子（Ag-NPs/Au-NPs）相互作用的荧光调控机制。研究发现该染料在Ag-NPs存在下发生超猝灭（KSV达109 M-1），而在Au-NPs作用下呈现金属增强荧光（MEF）效应，首次实现了金属选择性双重荧光调制。结合DFT计算揭示了分子静电势分布和电子转移机制，为开发高灵敏度荧光传感器和生物成像平台提供了新思路。

　　

在生物医学检测和光学传感领域，开发具有高灵敏度和选择性的荧光探针始终是研究人员追求的目标。传统荧光材料往往存在荧光强度不足、环境敏感性差等问题，特别是在复杂生物环境中容易受到干扰。近年来，贵金属纳米粒子因其独特的表面等离子体共振(SPR)特性，为荧光调控提供了新思路——既能通过能量转移导致荧光猝灭，又能通过局域场增强实现荧光放大。然而，如何在同一分子体系中实现可控的双重荧光响应，仍然是一个重大挑战。

在这项发表于《Journal of Fluorescence》的研究中，科学家们将目光投向了具有丰富生物活性的1,2,4-三嗪衍生物。这类化合物不仅具有广泛的药理活性，如抗肿瘤、抗菌和抗病毒作用，还展现出优异的光物理性质，特别是高度的π共轭电荷转移和给体-受体相互作用特性。研究人员假设，通过巧妙的分子设计，将三嗪骨架与噻吩环融合，可能创造出一种能够与不同金属纳米粒子产生选择性相互作用的新型荧光探针。

为了验证这一设想，研究团队合成了一种新型稠合噻吩并三嗪染料——4-氨基-6-(4-甲氧基苯基)-1,4,6,7-四氢噻吩并[2,3-e][1,2,4]三嗪-3(2H)-硫酮（Triazine I），并对其进行了全面的表征和光学性能研究。同时，他们通过化学还原法制备了银纳米粒子(Ag-NPs)和金纳米粒子(Au-NPs)，并利用多种技术手段对其进行了系统表征。

研究采用的主要技术方法包括：通过FTIR、¹H-NMR、¹³C-NMR和质谱确认染料分子结构；使用紫外-可见光谱、TEM、DLS、Zeta电位和XRD表征纳米粒子的形貌、尺寸和稳定性；借助稳态/瞬态荧光光谱分析光物理性质；利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)计算分子轨道、能隙和静电势分布；基于Lippert-Mataga和Reichardt模型分析溶剂效应与偶极矩变化。

Computational Investigations

通过DFT计算发现，Triazine I在不同溶剂中均保持稳定的分子结构，结合能介于5.661-5.704 eV之间。频率计算确认其在不同溶剂环境中均处于势能面极小值点，具有动力学稳定性。特别值得注意的是，在DMSO中观察到较低的结合能，表明在该高极性溶剂中分子反应性增强。

电子结构分析显示，S12原子是分子的主要电子给体，这从机理上解释了Ag-NPs的荧光猝灭效应——纳米粒子很可能与硫基供体区域相互作用促进非辐射衰变。而Au-NPs引起的荧光增强则可能是由于等离子体场效应在LUMO局域的苯环区域附近发挥作用。HOMO主要定域在三嗪和四氢噻吩环上，LUMO则扩展至三嗪、四氢噻吩和苯环，表明三嗪和四氢噻吩环作为电子给体基团，苯环作为电子受体基团，这种轨道分布支持了实验观察到的分子内电荷转移(ICT)发射现象。

分子静电势(MEP)分析揭示了S12和S13原子周围被负电势区域包围（黄色表示），呈现富电子特性，容易受到亲电攻击；而与氮原子键合的氢原子则呈现正电势区域（蓝色表示），显示缺电子特性，易于受到亲核攻击。这一预测有力支持了实验观察结果：银和金纳米粒子优先在这些硫位点结合，形成硫醇型相互作用，这解释了为什么在乙二醇等溶剂中，硫-纳米粒子相互作用因粘度和极性增强而导致荧光猝灭最为显著。

Optical Investigations

计算电子吸收光谱显示，Triazine I在不同溶剂中呈现不同的电子跃迁特征，溶剂环境显著影响跃迁位置和强度。理论计算与实验观测之间存在一定差异，如甲醇中理论最大波长（ES 7）为233.33 nm，而实验值为354.4 nm，这种差异源于计算模型未能完全考虑所有特异性溶剂-溶质相互作用，如显性氢键或动态溶剂重排。

溶剂效应研究发现，Triazine I的紫外-可见吸收和荧光光谱在不同极性溶剂中表现出显著差异。吸收光谱显示两个宽谱带，且溶剂极性对吸收最大值影响较小，表明Triazine I在基态具有弱极性特征。然而，发射光谱却表现出明显不同的行为：当激发波长为370 nm时，其发射光谱出现两个波段，分别来自局部激发态和分子内电荷转移(ICT)态。

当溶剂极性从THF（极性非质子溶剂）变为乙二醇（极性质子溶剂）时，发射光谱发生显著红移（从455.5 nm到496 nm），而吸收光谱未见类似位移。这种发射光谱的显著位移表明激发态偶极矩高于基态偶极矩。斯托克斯位移幅度在5747至8087 cm^-1之间变化，表明Triazine I的激发态几何构型可能与其基态几何构型不同。

荧光效率受溶剂极性和粘度显著影响。在所有测试溶剂中，1,4-二恶烷（中等极性非质子溶剂）中荧光强度最低，而乙二醇（高极性质子溶剂，具有强氢键能力）不仅导致最高荧光强度，还引起发射波长明显红移（λ_f=496 nm）。这归因于溶剂二醇基团与染料电负性氮原子之间的强氢键相互作用，稳定了激发态并降低了其能量。

Metallic Nanoparticles' Effect on Triazine I Optical Spectra

纳米粒子表征结果显示，Ag-NPs在420 nm处表现出显著的表面等离子体共振(SPR)带，直径50 nm，浓度0.25 nM；Au-NPs在525 nm处显示特征表面等离子体带，直径25 nm，浓度1.88 nM。TEM图像证实制备的Ag-NPs和Au-NPs呈球形，DLS分析显示平均粒径分别为50 nm和25 nm，与TEM结果高度一致。Zeta电位测量表明，Ag-NPs和Au-NPs的Zeta电位分别为-9.48 mV和-31.03 mV（pH 5.60），负值表明胶体稳定性良好。XRD分析确认两者均具有面心立方晶体结构。

Fluorescence Quenching by Ag-NPs Study

荧光猝灭研究发现，Triazine I在Ag-NPs存在下表现出浓度依赖的荧光强度降低，并伴有约6 nm的红移。这种红移可归因于荧光团微环境变化，由与猝灭剂的基态复合物形成引起。Stern-Volmer曲线显示良好线性关系，在乙醇和乙二醇中的Stern-Volmer常数(K_SV)值分别为6.7×10⁹ M^-1和12.6×10⁹ M^-1。乙二醇中较高的K_SV值表明猝灭并非纯扩散控制，猝灭效率随介质粘度增加而提高。

计算得到的猝灭速率常数(k_q)值比两种溶剂中的扩散速率常数(k_d)高出约八个数量级，表明静态猝灭和F?rster型能量转移在Triazine I被Ag-NPs猝灭中起主导作用。荧光衰减曲线测量进一步证实了这一机制——随着猝灭剂[Ag-NPs]浓度变化，激发态寿命保持不变。

超荧光猝灭现象归因于三个因素：金属纳米粒子表面等离子体共振(SPR)吸收带的大吸收系数；Ag-NPs的球形形状允许能量转移以任何供体相对于非金属表面的取向发生；供体发射与SPR吸收带之间的重叠。

Fluorescence Enhancement by Au-NPs

与Ag-NPs的猝灭效应相反，Au-NPs对Triazine I荧光表现出显著的增强效应。随着Au-NPs浓度增加，染料荧光强度显著增强，并伴随12 nm的红移（从480 nm到492 nm）。FTIR和Zeta电位测量证实染料通过S-Au键与Au-NPs成功结合：添加Au-NPs后，~1030 cm^-1处的C=S伸缩振动峰减少或消失，表明染料中的硫原子与金表面成功相互作用形成Au-S键。

金纳米粒子通过称为金属增强荧光(MEF)的现象实现荧光增强。当荧光团靠近金属纳米粒子时，其激发和发射速率、辐射模式、量子产率、光稳定性以及辐射和非辐射衰减速率都将被修饰。这些改变源于在金属-电介质界面产生的表面等离子体激元极化子，当入射光波长与金属等离子体共振峰值匹配时（通常有意与荧光团吸收和/或发射光谱重叠），就会产生这种极化子。

金属纳米粒子周围增强的电场导致激发速率增加，从而使得激发态电子种群更高，加速辐射和非辐射衰减。在金属纳米粒子表面，增强的电场达到最大值，然后在长距离上指数衰减。此外，当荧光团与纳米粒子之间的距离增加时，从激发荧光团到金属纳米粒子的能量转移这一非辐射过程显著减少。金属纳米粒子吸收与荧光团发射之间的光谱重叠是创建具有显著增强参数的超灵敏MEF生物传感器的关键因素。

Conclusions

本研究成功合成并全面表征了一种新型稠合噻吩并三嗪衍生物(Triazine I)，通过实验和DFT/TD-DFT计算考察了其光学和光物理性质，包括显著的分子内电荷转移(ICT)行为和溶剂敏感性。研究发现Triazine I表现出金属选择性的双重荧光调控：与Ag-NPs通过能量转移和静态猝灭机制发生荧光猝灭，而与Au-NPs通过金属增强荧光(MEF)效应实现荧光增强。这种前所未有的双重行为与通常仅显示单一响应模式的系统形成鲜明对比。

通过将详细的实验表征与静电势分布的理论建模相结合，本研究为噻吩融合如何调节光物理性质和纳米粒子相互作用提供了新的机理见解。这些发现为设计高选择性和高灵敏度的荧光探针建立了有前景的平台，可用于先进光学传感、生物成像和环境监测应用。该研究不仅深化了对三嗪衍生物光物理行为的理解，而且为开发新型"智能"荧光探针提供了设计原则，这些探针能够根据周围纳米环境的不同而提供可调的光学响应。